Violación de CP


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En física de partículas , la violación de CP es una violación de la simetría CP (o simetría de paridad de conjugación de carga ): la combinación de simetría C ( simetría de carga ) y simetría P ( simetría de paridad ). La simetría CP establece que las leyes de la física deberían ser las mismas si una partícula se intercambia con su antipartícula (simetría C) mientras que sus coordenadas espaciales están invertidas ("espejo" o simetría P). El descubrimiento de la violación de CP en 1964 en las desintegraciones de kaones neutrales resultó en el Premio Nobel de Física en 1980 para sus descubridores James Cronin y Val Fitch..

Desempeña un papel importante tanto en los intentos de la cosmología de explicar el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo actual como en el estudio de las interacciones débiles en la física de partículas.

Visión general

Hasta la década de 1950, se creía que la conservación de la paridad era una de las leyes fundamentales de conservación geométrica (junto con la conservación de la energía y la conservación del impulso ). Después del descubrimiento de la violación de la paridad en 1956, se propuso la simetría CP para restaurar el orden. Sin embargo, mientras que la interacción fuerte y la interacción electromagnética parecen ser invariantes bajo la operación de transformación de CP combinada, otros experimentos mostraron que esta simetría se viola levemente durante ciertos tipos de desintegración débil .

Sólo una versión más débil de la simetría podría ser preservada por los fenómenos físicos, que era la simetría CPT . Además de C y P, hay una tercera operación, inversión de tiempo T , que corresponde a la inversión de movimiento. La invariancia en la inversión del tiempo implica que siempre que las leyes de la física permiten un movimiento, el movimiento inverso también es permitido y ocurre a la misma velocidad hacia adelante y hacia atrás.

Se cree que la combinación de CPT constituye una simetría exacta de todos los tipos de interacciones fundamentales. Debido a la simetría CPT, una violación de la simetría CP es equivalente a una violación de la simetría T. La violación de CP implica la no conservación de T, siempre que el teorema de CPT de larga data sea válido. En este teorema, considerado como uno de los principios básicos de la teoría cuántica de campos , la conjugación de cargas, la paridad y la inversión del tiempo se aplican juntas. En 1998, dos grupos, colaboraciones CPLEAR y KTeV, en el CERN y el Fermilab , realizaron la observación directa de la violación de la simetría de inversión del tiempo sin ningún supuesto del teorema de CPT . [1]Ya en 1970 Klaus Schubert observó la violación de T independientemente de asumir la simetría CPT utilizando la relación de unitaridad de Bell-Steinberger. [2]

Historia

Simetría p

La idea detrás de la simetría de paridad era que las ecuaciones de la física de partículas son invariantes bajo inversión de espejo. Esto llevó a la predicción de que la imagen especular de una reacción (como una reacción química o desintegración radiactiva ) ocurre a la misma velocidad que la reacción original. Sin embargo, en 1956, una revisión crítica cuidadosa de los datos experimentales existentes por parte de los físicos teóricos Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang reveló que si bien la conservación de la paridad había sido verificada en las desintegraciones por las interacciones fuertes o electromagnéticas, no fue probada en la interacción débil. [3] Propusieron varias posibles pruebas experimentales directas.

La primera prueba basada en la desintegración beta de núcleos de cobalto-60 fue realizada en 1956 por un grupo liderado por Chien-Shiung Wu , y demostró de manera concluyente que las interacciones débiles violan la simetría P o, como dice la analogía, algunas reacciones no ocurrieron como a menudo como su imagen especular. [4] Sin embargo, la simetría de paridad todavía parece ser válida para todas las reacciones que involucran electromagnetismo e interacciones fuertes .

Simetría CP

En general, la simetría de un sistema de mecánica cuántica se puede restaurar si se puede encontrar otra simetría aproximada S tal que la simetría combinada PS permanezca intacta. Este punto bastante sutil sobre la estructura del espacio de Hilbert se realizó poco después del descubrimiento de la violación de P , y se propuso que la conjugación de carga, C , que transforma una partícula en su antipartícula , era la simetría adecuada para restaurar el orden.

En 1956 Reinhard Oehme en una carta a Yang y poco después, Ioffe, Okun y Rudik demostraron que la violación de la paridad significaba que la invariancia de la conjugación de cargos también debe violarse en las desintegraciones débiles. [5]

La violación de la carga se confirmó en el experimento de Wu y en experimentos realizados por Valentine Telegdi y Jerome Friedman y Garwin y Lederman, quienes observaron la no conservación de la paridad en la desintegración de piones y muones y encontraron que C también se viola. La violación de cargos se demostró más explícitamente en experimentos realizados por John Riley Holt en la Universidad de Liverpool . [6] [7] [8]

Luego, Oehme escribió un artículo con Lee y Yang en el que discutieron la interacción de la no invariancia bajo P, C y T. El mismo resultado también fue obtenido de forma independiente por BL Ioffe, Okun y AP Rudik. Ambos grupos también discutieron posibles violaciones de CP en desintegraciones de kaones neutrales. [5] [9]

Lev Landau propuso en 1957 CP-simetría , [10] a menudo llamado simplemente CP como la verdadera simetría entre materia y antimateria. La simetría CP es el producto de dos transformaciones : C para la conjugación de cargas y P para la paridad. En otras palabras, se asumió que un proceso en el que todas las partículas se intercambian con sus antipartículas es equivalente a la imagen especular del proceso original y, por lo tanto, la simetría CP combinada se conservaría en la interacción débil.

En 1962, un grupo de experimentadores en Dubna, ante la insistencia de Okun, buscó sin éxito la desintegración del kaon que viola el CP. [11]

Estado experimental

Violación indirecta de CP

En 1964, James Cronin , Val Fitch y sus colaboradores proporcionaron una clara evidencia de la desintegración del kaon de que la simetría CP podía romperse. [12] Este trabajo [13] les valió el Premio Nobel de 1980. Este descubrimiento mostró que las interacciones débiles violan no solo la simetría de carga-conjugación C entre partículas y antipartículas y la P o paridad, sino también su combinación. El descubrimiento conmocionó a la física de partículas y abrió la puerta a preguntas que todavía son el núcleo de la física de partículas y de la cosmología en la actualidad. La falta de una simetría CP exacta, pero también el hecho de que está tan cerca de una simetría, introdujo un gran rompecabezas.

El tipo de violación de CP descubierto en 1964 estaba relacionado con el hecho de que los kaones neutrales pueden transformarse en sus antipartículas (en las que cada quark se reemplaza con el antiquark del otro) y viceversa, pero tal transformación no ocurre exactamente con la misma probabilidad en ambos direcciones; esto se llama violación CP indirecta .

Violación directa de CP

Diagrama de caja de oscilación de Kaon
Los dos diagramas de caja de arriba son los diagramas de Feynman que proporcionan las principales contribuciones a la amplitud deK0-K0 oscilación

A pesar de muchas búsquedas, no se descubrió ninguna otra manifestación de violación de CP hasta la década de 1990, cuando el experimento NA31 en el CERN sugirió evidencia de violación de CP en el proceso de desintegración de los mismos kaones neutrales ( violación directa de CP). La observación fue algo controvertida, y la prueba final vino en 1999 del experimento KTeV en Fermilab [14] y el experimento NA48 en el CERN . [15]

A partir de 2001, una nueva generación de experimentos, incluido el experimento BaBar en el Stanford Linear Accelerator Center ( SLAC ) [16] y el Experimento Belle en la High Energy Accelerator Research Organisation ( KEK ) [17] en Japón, observó una violación directa de CP. en un sistema diferente, a saber, en desintegraciones de los mesones B . [18] Ahora se ha descubierto un gran número de procesos de violación de CP en las desintegraciones del mesón B. Antes de estos " B-factory"experimentos, había una posibilidad lógica de que toda violación de CP se limitara a la física de kaones. Sin embargo, esto planteó la pregunta de por qué la violación de CP no se extendía a la fuerza fuerte y, además, por qué esto no fue predicho por el Modelo Estándar no extendido , a pesar de la precisión del modelo para fenómenos "normales".

En 2011, el experimento LHCb en el CERN informó un indicio de violación de CP en las desintegraciones de los mesones D neutros utilizando 0,6 fb −1 de los datos de la Serie 1. [19] Sin embargo, la misma medición usando la muestra completa de 3.0 fb −1 Run 1 fue consistente con la simetría CP. [20]

En 2013, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP en extrañas desintegraciones del mesón B. [21]

En marzo de 2019, LHCb anunció el descubrimiento de una infracción de CP en desintegraciones encantadas con una desviación de cero de 5,3 desviaciones estándar. [22]

En 2020, T2K Collaboration informó por primera vez algunos indicios de violación de CP en leptones. [23] En este experimento, haces de neutrinos muónicos (
ν
μ
) y antineutrinos muónicos (
ν
μ
) fueron producidos alternativamente por un acelerador . Para cuando llegaron al detector, una proporción significativamente mayor de neutrinos electrónicos (
ν
mi
) fueron detectados desde el
ν
μ
haces, que los antineutrinos de electrones (
ν
mi
) eran del
ν
μ
vigas. Los resultados aún no eran lo suficientemente precisos para determinar el tamaño de la violación de CP, en relación con la observada en los quarks. Además, otro experimento similar, NOvA no ve evidencia de violación de CP en oscilaciones de neutrinos [24] y está en ligera tensión con T2K. [25] [26]

Violación de CP en el modelo estándar

La violación "directa" de CP está permitida en el Modelo Estándar si aparece una fase compleja en la matriz CKM que describe la mezcla de quarks , o la matriz PMNS que describe la mezcla de neutrinos . Una condición necesaria para la aparición de la fase compleja es la presencia de al menos tres generaciones de quarks. Si hay menos generaciones presentes, el parámetro de fase compleja se puede absorber en redefiniciones de los campos de quarks. Un invariante de cambio de fase popular cuya desaparición indica la ausencia de violación de CP y ocurre en la mayoría de las amplitudes de violación de CP es el invariante de Jarlskog ,

La razón por la que una fase tan compleja provoca una violación de CP no es obvia de inmediato, pero se puede ver de la siguiente manera. Considere cualquier partícula (o conjunto de partículas) y , y sus antipartículas y . Ahora considere los procesos y el correspondiente proceso de antipartículas , y denote sus amplitudes y respectivamente. Antes de la infracción del CP, estos términos deben tener el mismo número complejo. Podemos separar la magnitud y la fase escribiendo . Si se introduce un término de fase de (p. Ej.) La matriz CKM, denótelo . Tenga en cuenta que contiene la matriz conjugada a , por lo que toma un término de fase .

Ahora la fórmula se convierte en:

Las velocidades de reacción físicamente medibles son proporcionales a , hasta ahora nada es diferente. Sin embargo, consideran que existen dos rutas diferentes : y o equivalentemente, dos estados intermedios no relacionadas: y . Ahora tenemos:

Algún cálculo adicional da:

Así, vemos que una fase compleja da lugar a procesos que avanzan a diferentes velocidades para partículas y antipartículas, y se viola la CP.

Desde el punto de vista teórico, la matriz CKM se define como V CKM = U u . U
d
, donde U u y U d son matrices de transformación unitarias que diagonalizan las matrices de masa de fermiones M u y M d , respectivamente.

Por lo tanto, hay dos condiciones necesarias para obtener una matriz CKM compleja:

  1. Al menos uno de U u y U d es complejo, o la matriz CKM será puramente real.
  2. Si ambos son complejos, U u y U d no deben ser iguales, es decir, U u ≠ U d , o la matriz CKM será una matriz identidad que también es puramente real.

Fuerte problema de PC

Problema sin resolver en física :

¿Por qué la fuerza de interacción nuclear fuerte es invariante CP?

(más problemas sin resolver en física)

No existe una violación conocida experimentalmente de la simetría CP en la cromodinámica cuántica . Como no hay ninguna razón conocida para que se conserve en QCD específicamente, este es un problema de "ajuste fino" conocido como el problema de CP fuerte .

QCD no viola la simetría CP tan fácilmente como la teoría electrodébil ; a diferencia de la teoría electrodébil en la que los campos de calibre se acoplan a las corrientes quirales construidas a partir de los campos fermiónicos , los gluones se acoplan a las corrientes vectoriales. Los experimentos no indican ninguna infracción de CP en el sector de QCD. Por ejemplo, una violación de CP genérica en el sector que interactúa fuertemente crearía el momento dipolar eléctrico del neutrón que sería comparable a 10 −18  e · m mientras que el límite superior experimental es aproximadamente una billonésima parte de ese tamaño.

Esto es un problema porque al final, hay términos naturales en el QCD Lagrangiano que pueden romper la simetría CP.

Para una elección distinta de cero del ángulo θ y la fase quiral de la masa del quark θ ′, se espera que se viole la simetría CP. Por lo general, se supone que la fase de masa del quark quiral se puede convertir en una contribución al ángulo efectivo total , pero queda por explicar por qué este ángulo es extremadamente pequeño en lugar de ser de orden uno; el valor particular del ángulo θ que debe ser muy cercano a cero (en este caso) es un ejemplo de un problema de ajuste fino en física, y típicamente se resuelve con física más allá del Modelo Estándar .

Hay varias soluciones propuestas para resolver el fuerte problema de la PC. La más conocida es la teoría de Peccei-Quinn , que involucra nuevas partículas escalares llamadas axiones . Un enfoque más nuevo y radical que no requiere el axión es una teoría que involucra dos dimensiones de tiempo propuesta por primera vez en 1998 por Bars, Deliduman y Andreev. [27]

Desequilibrio materia-antimateria

Problema sin resolver en física :

¿Por qué el universo tiene mucha más materia que antimateria?

(más problemas sin resolver en física)

El universo que no es de materia oscura está compuesto principalmente de materia , en lugar de estar formado por partes iguales de materia y antimateria, como podría esperarse. Se puede demostrar que, para crear un desequilibrio en materia y antimateria a partir de una condición inicial de equilibrio, se deben cumplir las condiciones de Sajarov , una de las cuales es la existencia de violación CP durante las condiciones extremas de los primeros segundos después del Big Bang . Las explicaciones que no implican una violación del CP son menos plausibles, ya que se basan en el supuesto de que el desequilibrio materia-antimateria estaba presente al principio, o en otros supuestos reconocidamente exóticos.

El Big Bang debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria si se conservara la simetría CP; como tal, debería haber habido una cancelación total de ambos: los protones deberían haberse cancelado con antiprotones , electrones con positrones , neutrones con antineutrones , etc. Esto habría resultado en un mar de radiación en el universo sin materia. Dado que este no es el caso, después del Big Bang, las leyes físicas deben haber actuado de manera diferente para la materia y la antimateria, es decir, violando la simetría CP.

El Modelo Estándar contiene al menos tres fuentes de violación de CP. El primero de ellos, que involucra la matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa en el sector de quarks , se ha observado experimentalmente y solo puede explicar una pequeña parte de la violación de CP requerida para explicar la asimetría materia-antimateria. La interacción fuerte también debería violar la CP, en principio, pero el hecho de no observar el momento dipolar eléctrico del neutrón en los experimentos sugiere que cualquier violación de la CP en el sector fuerte también es demasiado pequeña para explicar la violación necesaria de la CP en el universo temprano. La tercera fuente de violación de CP es la matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata en el leptónsector. Los experimentos actuales de oscilación de neutrinos de línea de base larga, T2K y NOνA , pueden encontrar evidencia de violación de CP en una pequeña fracción de los posibles valores de CP que viola la fase de Dirac, mientras que los experimentos de próxima generación propuestos, Hyper-Kamiokande y DUNE , lo harán ser lo suficientemente sensible para observar definitivamente la violación de CP en una fracción relativamente grande de los posibles valores de la fase de Dirac. En el futuro, una fábrica de neutrinos podría ser sensible a casi todos los valores posibles de la CP que viola la fase de Dirac. Si los neutrinos son fermiones de Majorana , la matriz de PMNSpodría tener dos fases adicionales de CP que violen Majorana, lo que conduciría a una cuarta fuente de violación de CP dentro del Modelo Estándar. La evidencia experimental de los neutrinos de Majorana sería la observación de la desintegración doble beta sin neutrinos . Los mejores límites provienen del experimento GERDA . La violación de CP en el sector leptónico genera una asimetría materia-antimateria a través de un proceso llamado leptogénesis . Esta podría convertirse en la explicación preferida en el Modelo Estándar para la asimetría materia-antimateria del universo una vez que se confirme experimentalmente la violación del CP en el sector de los leptones.

Si se determina experimentalmente que la violación de CP en el sector de leptones es demasiado pequeña para dar cuenta de la asimetría materia-antimateria, se requeriría algo de física nueva más allá del Modelo Estándar para explicar las fuentes adicionales de violación de CP. La adición de nuevas partículas y / o interacciones al modelo estándar generalmente introduce nuevas fuentes de violación del CP, ya que el CP no es una simetría de la naturaleza.

Sajarov propuso una forma de restaurar la simetría CP usando simetría T, extendiendo el espacio-tiempo antes del Big Bang. Describió reflejos completos del CPT de los eventos a cada lado de lo que llamó la "singularidad inicial". Debido a esto, los fenómenos con una flecha de tiempo opuesta en t <0 sufrirían una violación de CP opuesta, por lo que la simetría de CP se conservaría como un todo. El exceso anómalo de materia sobre antimateria después del Big Bang en el sector ortocrónico (o positivo), se convierte en un exceso de antimateria antes del Big Bang (sector anticrónico o negativo) ya que tanto la conjugación de carga, la paridad y la flecha del tiempo se invierten debido a la CPT. reflejos de todos los fenómenos que ocurren sobre la singularidad inicial:

Podemos visualizar que los maximones neutros sin espín (o fotones) se producen en t <0 a partir de materia en contracción que tiene un exceso de antiquarks, que pasan "uno a través del otro" en el instante t = 0 cuando la densidad es infinita, y decaen con un exceso de quarks cuando t > 0, dándose cuenta de la simetría CPT total del universo. En esta hipótesis se supone que todos los fenómenos en t <0 son reflejos CPT de los fenómenos en t > 0.

-  Andrei Sakharov, en Collected Scientific Works (1982). [28]

Ver también

  • B-fábrica
  • Paridad (física) § Violación de la paridad
  • Conjugación de carga
  • Simetría en T
  • Simetría CPT
  • Experimento BTeV
  • Matriz de Cabibbo – Kobayashi – Maskawa
  • LHCb
  • Diagrama de pingüino
  • Oscilación de partículas neutras
  • Momento dipolo eléctrico del electrón

Referencias

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Otras lecturas

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  • Michael Beyer, ed. (2002). Violación de CP en partículas, nuclear y astrofísica . Springer . ISBN 978-3-540-43705-5. (Una colección de ensayos que presentan el tema, con énfasis en los resultados experimentales).
  • L. Wolfenstein (1989). Violación de CP . Editorial de Holanda Septentrional . ISBN 978-0-444-88081-9. (Una recopilación de reimpresiones de numerosos artículos importantes sobre el tema, incluidos artículos de TD Lee, Cronin, Fitch, Kobayashi y Maskawa, y muchos otros).
  • David J. Griffiths (1987). Introducción a las partículas elementales . John Wiley e hijos . ISBN 978-0-471-60386-3.
  • Bigi, I. (1998). "CP Violación - un misterio esencial en el gran diseño de la naturaleza". Encuestas de Física de Altas Energías . 12 (1–4): 269–336. arXiv : hep-ph / 9712475 . Código bibliográfico : 1998SHEP ... 12..269B . doi : 10.1080 / 01422419808228861 .
  • Mark Trodden (1999). "Bariogénesis electrodébil". Reseñas de Física Moderna . 71 (5): 1463-1500. arXiv : hep-ph / 9803479 . Código Bibliográfico : 1999RvMP ... 71.1463T . doi : 10.1103 / RevModPhys.71.1463 . S2CID  17275359 .
  • Davide Castelvecchi. "¿Qué es una infracción directa de CP?" . SLAC . Archivado desde el original el 3 de mayo de 2014 . Consultado el 1 de julio de 2009 .
  • En el capítulo 15 de este libro de texto para estudiantes se ofrece una discusión elemental sobre la violación de la paridad y la violación del CP [1]

enlaces externos

  • Artículo de Cern Courier
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